目前碳纖維復合材料已經廣泛應用于航空航天、體育休閑、汽車工業、環境能源、土木工程等領域，其應用范圍幾乎是無處不在，為了便于更好了解碳纖維及其復合材料應用，本公眾號特在專業講堂板塊創建無處不在的碳纖維復合材料專題。

　　本期主要介紹了碳纖維及其復合材料在航天領域的應用，并簡述了其在運載火箭、衛星航天器等領域的典型應用。

　　1

　　碳纖維在航天領域應用背景

　　將運載衛星等的火箭或航天飛行器等發射到太空需要大量的能源和金錢，而且輕量化對于航天飛行器而言意義重大，據統計，航天飛行器的重量每減少1公斤，可使運載火箭減輕 500公斤。

　　此外，火箭和航天飛行器在高真空環境中暴露在強宇宙射線/紫外線下，而且必須在晝夜溫度變化極大的環境中使用具有出色尺寸穩定性的材料。

　　碳纖維復合材料具有優異的比強度/比彈性模量，可以通過基于各向異性的佳設計來減輕重量，而且它們的熱膨脹系數僅為金屬的十分之一，碳纖維復合材料在交變溫度環境下尺寸非常穩定，因此，在幾乎所有方面，碳纖維復合材料都是空間應用的佳材料。

　　2

　　碳纖維在航天領域應用實例

　　目前，CFRP主要用于火箭的頂部衛星承載段、中間空間、固定火箭助推器殼體等，以及人造衛星的許多部件，例如船體框架、太陽能電池板、天線支架和臂架等。CFRP還可以為航天飛行器提供出色的耐熱性，底部的黑色面板用于承受再次進入地球大氣層時所承受的高熱量。

　　目前航天器結構用碳纖維主要為PAN基碳纖維，而且以高強中模（T系列）、高強高模（MJ系列）為主，如火箭、導彈發動機大多采用高強中模碳纖維，導彈支架、支座或托架等結構采用了高強高模碳纖維。

　　2.1 碳纖維在運載火箭中的應用

　　在運載火箭領域，碳纖維復合材料可用于制造固體發動機殼體結構、箭體整流罩、儀器艙、級間段、發動機噴管喉襯、衛星支架、低溫貯箱等部件。

 

　　碳纖維復合材料在運載火箭應用的典型代表為發動機殼體，而且發動機殼體所用的碳纖維大多為強度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高強中模碳纖維，如日本東麗T800、T1000和美國赫氏IM7等。

 

　　2.2 碳纖維在衛星航天器中的應用

　　在衛星航天器領域，通常會使用高模量碳纖維。按照前驅體種類，高模碳纖維可分為PAN基高模量碳纖維和瀝青基高模量碳纖維，其中瀝青基高模量碳纖維主要特點導熱性能優異，但纖維強度往往較低，而PAN基高模量碳纖維可具有平衡的高強度、高模量。

　　以衛星結構應用為例，瀝青基高模量碳纖維主要用于散熱片結構，部分用于衛星精密結構。相比之下，PAN基高模量碳纖維應用領域更廣泛，可用于反射器和天線、太陽能電池板、吊桿和桁架，以及部分精密結構，如下圖所示。

　　圖片

　　在一些對超高模量特性需求的應用中需要使用瀝青基高模量碳纖維，在一些需要抗壓強度和抗拉強度的區域必須使用PAN基高模量碳纖維，因此在衛星航天領域中PAN基高模量碳纖維用量顯著高于瀝青基碳纖維。

　　隨著更多的通信衛星等計劃發射，航天器有望成為PAN基碳纖維的重要市場。